活動斷裂對隧洞變形響應特性的影響研究

趙 利 鵬,李 堅,高 仝,周 光 新,崔 臻

(1.云南省滇中引水工程有限公司,云南 昆明 650000; 2.云南省滇中引水建設管理局 大理分局,云南 昆明 650205; 3.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室,湖北 武漢 430071; 4.中國科學院大學,北京 100049)

0 引 言

興建長大跨流域的調水工程是優化水資源配置格局,解決水資源短缺與社會經濟高質量發展之間矛盾的必然選擇[1-2]。對于長大調水工程,由于受到地形和地質條件的限制,常常需要修建大量長距離輸水隧洞作為關鍵性控制節點。例如,作為引漢濟渭工程重點控制性工程之一,秦嶺輸水隧洞的縱向長度達98 km,是目前世界上已建的最長隧洞[3-5];遠期規劃中的南水北調西線項目,其一期工程將選址于巴顏喀拉山的東段,即青藏高原東南緣,根據初步規劃結果,其線路長度可達260 km,其中超過240 km的線路為隧洞工程,隧洞占比達94%[6-8]。中國西部地區地質構造復雜,地震活動強烈,長距離輸水隧洞工程建設必然面臨隧洞鄰近或者穿越活動斷層的問題[9-11]。

對于穿越活斷層隧洞(道)而言,活斷層的運動將造成圍巖及隧洞結構的變形,導致圍巖出現剪切破壞、二次襯砌的錯動開裂、掉塊、整體垮塌等。通過模型試驗和數值仿真等方法對活斷層隧洞(道)錯斷破壞機制的研究成為熱點。在模型試驗方面,陳宇龍和黃棟[12]通過離心機開展模型試驗,研究了不同運動模式活動斷層作用下飽和黏土層的變形特性及其裂縫擴展規律,分析了斷層錯動量對地表位移、地表最大坡度位置的影響。蔡奇鵬等[13]、駱冠勇等[14]針對黏土地層展開離心機振動臺試驗,對比分析了走滑斷層錯動下隱伏裂縫對上覆土層破裂的影響機制。徐詩蒙等[15]在振動臺模型試驗中研究了不同傾角斷層的影響,揭示了斷層傾角對穿越活斷層隧道的影響模式。Ha等[16]通過兩組離心模型研究了跨斷層埋地管線在正斷層和走滑斷層分別作用下的響應,發現走滑斷層作用下土管相互作用壓力在斷層帶周邊對稱分布;正斷層作用時活動側管道在斷層跡線附近壓力集中。劉學增等[17-18]開展了一系列的隧道模型錯斷試驗,系統分析了不同斷層錯斷模式、不同設防形式等因素下公路隧道襯砌的變形和應力應變響應特征。

隨著數值計算方法的發展,針對跨活動斷裂隧洞(道)的變形破壞機理研究更加深入。李小軍等[19]針對基巖引起的斷層錯動問題,利用數值分析方法,探討了斷層作用下上覆土壤破裂形成的過程和相應的擴展特征。Wang等[20]通過數值模擬研究了黏滑斷層作用下穿越活斷層隧道襯砌結構的內力響應,提出了一種隧道穿過活動斷層的適應性結構設計方法。劉學增等[21]采用有限元方法,研究了斷層作用下襯砌不同斷面型式對鉸接隧道結構變形和內力的影響。Azizkandi等[22]研究了隧道對逆斷層和淺埋基礎之間相互作用的變形響應,分析了地基位置、隧道埋深和直徑,以及自由場條件下隧道與斷層帶的相對位置對斷層破裂淺埋基礎的影響規律。Banushi等[23]研究了走滑斷層作用下不同傾角和內壓水平對埋地管道結構響應的影響。

綜上可知,對于隧洞跨越活動斷裂時,不同地質參數、設計參數對隧洞襯砌中變形的影響機制不明,亟待開展系統的參數研究。本文以滇中引水工程的關鍵控制性工程——香爐山輸水隧洞為依托工程,研究斷層帶傾向、夾角、寬度、材料參數等影響因素下,隧洞各個部位的位移與相對變形、最大主應力、縱向等效內力等各個響應值的變化,綜合說明活動斷層錯斷對隧洞變形破壞特征的影響。

1 參數影響分析條件

1.1 依托工程簡介

滇中引水工程是當前172項重大水利工程中一項標志性的重大工程,是西南地區投資最多、規模最為龐大的調水工程,也是中國當前在建的最大引水工程之一。作為滇中引水工程的渠首建筑物,香爐山隧洞穿越馬耳山脈(見圖1),長達63 km。隧洞段工程地質環境極其復雜,穿越多條尺度龐大的斷裂帶,在穿越的16條斷裂中,有3條為全新世活動斷裂,包括龍蟠-喬后斷裂、麗江-劍川斷裂及鶴慶-洱源斷裂。這些全新世活動斷裂具有強烈的地震活動性,具備發生7級以上強震的條件,給隧洞的安全建造與運營帶來了嚴重威脅。

圖1 香爐山隧洞工程區位示意Fig.1 Location diagram of Xianglushan tunnel project

1.2 模型概化和參數選取

本文以香爐山隧洞工程遭受強烈錯斷威脅為背景開展研究,隧洞穿越斷層帶原型選取龍蟠-喬后(F10)斷層帶。為了開展各種斷裂帶地質因素的影響分析,設置斷層帶傾角為60°～90°,斷層帶寬度考慮為160～240 m,斷層帶走向與隧洞夾角考慮為60°～90°,斷裂帶錯動考慮為0.1～0.4 m。

三維數值計算模型如圖2所示,其中隧洞軸向長度為600 m,斷層寬200 m,橫向、豎向均取100 m。隧洞為圓形斷面,半徑為5.65 m。為簡化計算,隧洞初支噴混凝土和二襯合并為1.05 m厚的C30混凝土襯砌。數值計算中所采用的圍巖力學參數見表1。斷層錯動位移模式考慮“S”形斷層錯動位移模式[24]。其中,斷層錯動時,固定下盤外邊界,上盤模型頂部和底部約束法向位移,在上盤模型前面邊界施加沿錯動面方向的位移來模擬上盤和下盤的相對錯動過程。同時考慮斷層錯動位移模式的施加,在斷層帶邊界施加錯動位移。

表1 數值模型力學參數Tab.1 Mechanical parameters of the numerical model

圖2 隧洞穿越龍蟠-喬后(F10)斷層帶數值模型(單位:m)Fig.2 Numerical model of the tunnel crossing the Longpan-Qiaohou (F10) fault zone

2 斷層帶錯動量的影響

研究斷層走向與隧洞軸線夾角為0°,斷層帶傾角為90°,斷層帶圍巖彈性模量為0.8 GPa,斷層帶錯動量分別為10,20,30,40 m時隧洞變形和內力的變化。

圖3給出了20 cm錯斷條件下,隧道襯砌結構位移、應力、內力的示意圖。其中,所有云圖的變形形態均放大了100倍。由圖可見,斷層帶界限部位、中間部位為應力狀態較為復雜的部分,應力在這些部位有極值出現,需重點關注。

圖3 斷層錯動量20 cm時隧洞襯砌響應Fig.3 Lining response at 20 cm fault displacement

2.1 隧洞位移

圖4為不同斷層錯動量下隧洞不同部位的位移曲線。可知,隧洞左右邊墻和洞頂、底的位移分布基本一致,襯砌整體位移基本與斷層帶錯動同步。在以上認知下,為了簡要起見,后續研究中僅重點討論拱頂位移形態。

圖4 斷層錯動量不同時隧洞位移曲線Fig.4 Displacement curves of the tunnel under different fault displacements

圖5為隧洞洞頂、洞底、左右邊墻的相對變形曲線。可見,在走滑斷層作用下,隧洞的相對變形主要表現為左右邊墻的相對收斂,在主動盤與斷層帶交接部位局部表現為左右邊墻分離。相對收斂位移值在斷層帶中間部位最大,并隨錯斷量的增加而增加。但隨著斷層錯動量繼續增大,圍巖-襯砌體系逐漸進入局部滑移、破壞,非線性特征逐漸體現時,相對變形曲線形狀有所變化。在走滑斷層作用下,隧洞洞頂-洞底的相對變形量值較小。因此,后續研究中僅重點討論左右邊墻的相對變形。

圖5 不同錯斷量下隧洞關鍵部位相對變形曲線Fig.5 Relative deformation curves of key parts of the tunnel under different fault displacements

2.2 最大主應力

圖6為不同錯斷量條件下,隧洞洞頂、左側邊墻、右側邊墻、洞底的最大主應力量值分布曲線。可知斷層錯動影響下隧洞不同部位的應力集中現象出現的規律不一樣。在走滑斷層錯斷作用下,洞頂、洞底部位的最大主應力出現在斷層帶中央部位,而對于左右邊墻部位,其最大主應力出現在主動盤與斷層帶交接部位。同時,當斷層錯動量繼續增大,圍巖-襯砌體系逐漸進入局部滑移、破壞,非線性特征逐漸體現時,最大主應力曲線形狀將有所變化。考慮到各個部位曲線的代表性,后續研究中僅討論頂拱與左邊墻的大主應力。

圖6 不同錯斷量值下隧洞最大主應力曲線Fig.6 Maximum principal stress curves of the tunnel under different fault displacements

2.3 縱向內力

將隧洞視為一根彈性梁,計算襯砌縱向內力,包括等效軸力、彎矩和剪力。隧洞的軸向內力分布曲線如圖7所示。對于軸力指標而言,上下盤襯砌整體處于受壓狀態,最大受壓位置出現在與斷層帶交接部位。而在斷層帶中,襯砌整體處于受拉狀態,拉力最大值出現在斷層帶中央。對于彎矩指標,襯砌處于反向對稱受彎的狀態,最大彎矩位置出現在與斷層帶交接部位,斷層帶內部襯砌受彎程度相對較小。對于剪力而言,最大剪力出現在斷層帶中央部位。以上內力指標均隨錯斷量的增加而增加,但當斷層錯動量繼續增大,圍巖-襯砌體系逐漸進入局部滑移、破壞,非線性特征逐漸體現時,曲線形狀有所變化。

圖7 斷層錯動量不同時隧洞內力曲線Fig.7 Internal force curves of the tunnel under different fault displacements

3 斷層帶寬度的影響

當隧洞軸線與斷層帶走心夾角為90°,斷層帶傾角90°,斷層帶圍巖彈性模量為0.8 GPa,斷層錯斷量為0.2 m,斷層帶寬度分別為160,200,240 m時,研究隧洞變形破壞特性的變化。

3.1 隧洞位移

圖8為不同斷層寬度時隧洞頂部的位移曲線。可知襯砌整體位移基本與斷層帶錯動同步。隨著斷層帶寬度增加,斷層帶對隧洞的影響范圍逐漸增大。

圖8 斷層帶寬度不同時隧洞洞頂位移曲線Fig.8 Top arch displacement curves of the tunnel under different fault zone widths

圖9為隧洞左右邊墻的相對變形曲線。可見,相對收斂在斷層帶中間部位最大,并隨斷層寬度的增加而減小。

圖9 不同斷層帶寬度下隧洞左右邊墻相對變形曲線Fig.9 Relative deformation curves of the left and right side walls of the tunnel under different fault zone widths

3.2 最大主應力

圖10為不同斷層帶寬度條件下,隧洞洞頂、左側邊墻的最大主應力量值分布曲線。當斷層帶寬度繼續增大,縱向最大主應力值減小,斷層帶對隧洞影響范圍增加,最大主應力曲線形狀發生變化。

圖10 不同斷層帶寬度下隧洞最大主應力曲線Fig.10 Maximum principal stress curves of the tunnel under different fault zone widths

3.3 縱向內力

隧洞軸向內力分布曲線如圖11所示。可見最大軸力隨斷層寬度增加而減小,斷層帶對隧洞的影響范圍逐漸增大。

圖11 斷層帶寬度不同時隧洞軸力曲線Fig.11 Axial force curves of the tunnel under different fault zone widths

4 斷層帶傾角的影響

當隧洞軸線與斷層帶夾角為90°,斷層寬度為200 m,斷層帶圍巖彈性模量為0.8 GPa,斷層錯斷量為0.2 m,斷層帶傾角分別為60°,75°,90°時,研究隧洞變形破壞特性的變化。

4.1 隧洞位移

圖12為斷層帶傾角不同時隧洞頂拱的位移曲線。可知隧洞襯砌整體位移基本與斷層帶錯動同步。

圖12 斷層帶傾角不同時隧洞洞頂位移曲線Fig.12 Top arch displacement curves of the tunnel under different dip angles of fault zones

圖13為隧洞左右邊墻的相對變形曲線。可見,在走滑斷層作用下,隧洞的相對變形主要表現為左右邊墻的相對收斂,在主動盤與斷層帶交接部位局部表現為左右邊墻分離。相對收斂位移在斷層帶中間部位最大,并隨傾角增加而減小,但當斷層傾角繼續增大,相對變形曲線形狀有所變化。左右邊墻相對收斂位移在斷層帶中間部位最大,并隨傾角增加而增大,75°和90°情況下位移幾乎一致。

圖13 不同斷層帶傾角下隧洞左右邊墻相對變形曲線Fig.13 Relative deformation curves of the left and right side walls of the tunnel under different dip angles of fault zones

4.2 最大主應力

圖14為不同斷層帶傾角條件下,隧洞洞頂、左側邊墻的最大主應力分布曲線。當斷層帶傾角繼續增大,縱向最大主應力基本不變,最大主應力曲線形狀變化較小。

圖14 不同斷層帶傾角下隧洞最大主應力曲線Fig.14 Maximum principal stress curves of the tunnel under different dip angles of fault zones

4.3 縱向內力

隧洞軸向的內力分布曲線如圖15所示。對于軸力指標而言,在上下盤的襯砌整體處于受壓狀態。傾角90°和75°時最大受壓位置出現在與斷層帶交接部位,而在斷層帶中,襯砌整體處于受拉狀態,拉力最大值出現在斷層帶中央,兩者曲線基本一致。傾角60°時,隧洞襯砌整體受壓,最大受壓值出現在斷層帶中央,隨著傾角增加最大受壓值減小,75°和90°時結果幾乎一致。

圖15 不同斷層傾角下隧洞軸力分布曲線Fig.15 Axial force distribution curves of the tunnel under different dip angles of fault zones

5 隧洞軸線與斷層走向夾角的影響

當斷層傾角為90°,斷層寬度為200 m,斷層帶圍巖彈性模量為0.8 GPa,斷層錯斷量為0.2 m,隧洞軸線與斷層走向的夾角分別為90°,75°,60°時,研究隧洞變形破壞特性的變化。

5.1 隧洞位移

圖16為隧洞軸線與斷層帶走向夾角不同時隧洞頂部的位移曲線,可見襯砌整體位移基本與斷層帶錯動同步。圖17為隧洞左右邊墻的相對變形曲線。相對收斂位移在斷層帶中間部位最大,并隨斷層走向與隧洞夾角減小而增加。但當斷層走向與隧洞軸線夾角繼續增大時,相對變形曲線形狀將有所變化。

圖16 隧洞軸線與斷層夾角不同時隧洞洞頂位移曲線Fig.16 Top arch displacement curves of the tunnel under different angles between the tunnel axis and fault zone

圖17 不同隧洞軸線與斷層走向夾角下左右邊墻相對變形曲線Fig.17 Relative deformation curves of the left and right side walls of the tunnel under different angles between the tannel axis and foult strike

5.2 最大主應力

圖18為不同夾角條件下,隧洞洞頂、左側邊墻的最大主應力分布曲線。當斷層帶走向與隧洞軸線夾角繼續增大,最大主應力值增加,最大主應力曲線形狀將有所變化。

圖18 不同隧洞軸線與斷層夾角下隧洞最大主應力曲線Fig.18 Maximum stress principal curves of the tunnel under different intersect angles between tunnel and fault zone

5.3 縱向內力

隧洞軸向的內力分布曲線如圖19所示,對于軸力指標而言,在上下盤的襯砌整體處于受壓狀態。夾角90°時最大受壓位置出現在與斷層帶交接部位,而在斷層帶中,襯砌整體處于受拉狀態,拉力最大值出現在斷層帶中央。夾角75°和60°時,隧洞襯砌整體受壓,最大受壓值出現在斷層帶中央。

圖19 不同隧洞軸線與斷層夾角下隧洞軸力曲線Fig.19 Axial force curves of the tunnel under different intersect angles between the tunnel axis and faults fault zones

6 斷層帶巖體力學參數的影響

當斷層與隧洞正交,斷層寬度為200 m,斷層錯斷量為0.2 m,斷層帶圍巖彈性模量為0.8,1.5,2.2 GPa時,研究隧洞變形破壞特性的變化。

6.1 隧洞位移

圖20為不同斷層帶彈模條件下,隧洞頂拱的位移曲線。結果顯示隧洞基本上整體隨斷層帶變位而移動,斷層帶彈模變化對隧洞頂拱的位移曲線差異性影響較小。

圖20 不同斷層帶彈模下隧洞洞頂位移曲線Fig.20 Top arch displacement curves of the tunnel under different elastic modulus of fault zones

圖21為隧洞左右邊墻的相對變形曲線。相對收斂在斷層帶中間部位最大,并隨斷層帶彈模增加而增加。但當斷層帶彈模繼續增大,相對變形曲線形狀將有所變化。

圖21 不同斷層帶彈模下隧洞左右邊墻相對變形曲線Fig.21 Relative deformation curves of the left and right side walls of the tunnel under different elastic modulus of fault zones

6.2 最大主應力

圖22給出了不同斷層帶彈模條件下,隧洞頂拱、左側邊墻的最大主應力曲線。當斷層帶彈性模量增大時,頂拱縱向最大主應力值增大,彈模1.5 GPa和2.5 GPa情況下最大應力曲線近似一致;左邊墻縱向最大主應力值減小,最大主應力曲線形狀發生變化。

圖22 不同斷層帶彈模下隧洞最大主應力曲線Fig.22 Maximum principal stress curves of the tunnel under different elastic modulus of fault zones

6.3 縱向內力

隧洞軸向內力分布曲線如圖23所示,發現彈性模量為1.5 GPa時內力指標值最大,同時斷層帶彈模增加,曲線形狀將有所變化。

圖23 不同斷層帶彈模下隧洞軸力曲線Fig.23 Axial force curves of the tunnel under different elastic modulus of fault zones

7 結 論

本文研究了斷層帶錯動量、斷層帶走向與隧洞軸線夾角、斷層帶傾角、斷層帶寬度、斷層帶巖體力學參數因素對隧洞襯砌結構變形、縱向大主應力、縱向等效內力的影響。通過參數敏感性分析取得如下結論:

(1) 在走滑斷層作用下,襯砌整體位移基本與斷層帶錯動同步,隧洞的相對變形主要表現為左右邊墻的相對收斂。相對收斂位移在斷層帶中間部位最大,并隨錯斷量增加而增加。洞頂、洞底部位的最大主應力出現在斷層帶中央部位,左右邊墻部位最大主應力出現在主動盤與斷層帶交接部位。

(2) 在斷層帶中,襯砌整體處于受拉狀態,拉力最大值出現在斷層帶中央。襯砌處于反向對稱受彎的狀態,最大彎矩位置出現在與斷層帶交接部位。最大剪力出現在斷層帶中央部位。對所有內力指標,均可發現其隨錯斷量增加而增加。當斷層錯動量持續增大,圍巖-襯砌體系逐漸進入局部滑移、破壞而非線性特征逐漸體現時,曲線形狀發生變化。

(3) 對于斷層帶走向與隧洞軸線夾角,研究結果總體上支持隧洞斷層帶走向與隧洞夾角越大,對隧洞襯砌變形受力狀態越有利,即隧洞穿越斷層帶的最佳角度為正交。對于斷層帶傾角,研究結果總體上支持隧洞斷層帶傾角越大,對隧洞襯砌變形受力狀態越有利,隧洞穿越斷層帶時與其傾向的最佳角度為正交。

(4) 對于斷層帶寬度,在相同錯動量的前提下,斷層寬度越小,對隧洞越不利。對于斷層帶巖體質量,當斷裂帶兩側巖體質量條件不變,且錯動量不變的前提下,隧洞受到的錯動作用隨著斷裂帶巖體質量的提升而更加顯著。